基于空心海胆型球壳上TiO2纳米管阵列的可控制备及性能研究

将一维纳米结构构造在三维构筑物中，使其包含三维与一维材料特性的研究目前正受到极大关注。将TiO2纳米管阵列构筑成为空心海胆型纳米球壳材料，因其包含三维与一维的材料特性，在太阳能电池、生物传感器及场发射等纳米装置方面比简单纳米管阵列材料将更具特色。目前，国际上在此类材料的制备研究中所遇到的"瓶颈"问题是：现有方法所制得的球壳松散不致密，在支撑核模板去除后，球壳容易坍塌，如何发展新的方法获得结构稳定的空心海胆型TiO2是一具有挑战性的前沿课题。本项目将研究：以胶体微球形成微尺度生长模板，合成由ZnO纳米线阵列组织的空心球壳，再以ZnO纳米线为模板合成由TiO2纳米管组装的空心海胆型TiO2；研究材料生长的微区环境对生长驱动力的影响，揭示该有序微结构产生的物理化学机制和动力学引起的新生长规律；探讨球壳形貌与表面光电压谱的变化规律；解决一些关键制备技术问题，合成新型有序纳米结构材料，并探索其应用。

TiO2超结构介孔材料独特的结构使其对光的散射性及电子传输特性有着显著的特点，通过微结构调控，从而实现材料光电性能的大幅度提升，揭示其微结构的调控对光电性能和光催化活性的影响规律及复合作用机制对于发展高效光电和光催化材料具有重要意义。本课题研究制备了三维空心海胆型纳米TiO2、N/Ce共掺杂三维空心海胆型纳米TiO2、还原型氧化石墨烯（RGO）复合三维空心海胆型纳米TiO2及海胆型ZnO/TiO2复合材料等纳米结构材料，对其制备工艺和机理进行了全面、系统地探索，得到了一系列高比表面积的三维空心海胆型TiO2纳米材料。运用现代分析手段对材料形貌、状态、晶型、比表面积及晶体的成核和生长机理进行探讨，研究了制备工艺、先驱体体系、材料形貌结构、掺杂物与复合体系等与材料光电性能之间的相互关系，结果显示：三维空心海胆型纳米TiO2组装的染料敏化太阳电池其光电效率达到了8.04%；在N/Ce共掺杂体系下450°C煅烧得到了锐钛矿与金红石共存的三维空心海胆型TiO2，其对罗丹明B的光降解效率较P25提高了80%；还原型氧化石墨烯复合三维空心海胆型纳米TiO2结构材料中，Ti以Ti4+的形式存在，还原型氧化石墨烯的复合对三维空心海胆型TiO2的形貌及晶型没有太大影响，且当加入质量比为5%的还原型氧化石墨烯时，RGO/TiO2对罗丹明B在模拟太阳光下的光降解效率达到了98.7%；最后对ZnO进行了类似研究，并在得到完美晶型的棒组装海胆ZnO的基础上制备了光电性能优异的三维海胆ZnO/TiO2复合结构材料，其光电转化效率较单一海胆状ZnO纳米材料的提高了17.7%。本项目最终研究成果可为水热及溶剂热法制备三维空心海胆型TiO2纳米材料提供理论依据和技术支持，对非金属元素掺杂及非金属与稀土元素共掺杂机理、技术与方法体系做出积极贡献，为制备研究高性能三维海胆型复合结构材料打下基础。本项目的研究将拓宽TiO2 在太阳能电池、光催化、生物传感器、储氢等方面的应用，在半导体材料研究领域具有重要意义。